JPH0414112A - 圧電素子による微動機構の較正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電素子による微動機構の較正装置に関し、特
に、例えば走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと記す
）の探針の微動や観測試料の微動に使用される圧電素子
を利用した微動機構において非直線性等の較正データを
作成し、実測時には較正データを用いて高精度の位置決
めを可能にする圧電素子による微動機構の較正装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来ＳＴＭでは観測試料の表面に対して探針をオングス
トロームのオーダ（約１０オングストローム）まで接近
させ、この距離を一定に保持した状態で試料の表面に沿
って探針が移動するように探針と試料の相対的位置を微
小に変化させることにより、当該試料の表面における原
子レベルの情報を得るようにしている。このＳＴＭにお
ける試料又は探針の微動機構にはアクチュエータとして
圧電素子を利用しているが、従来では特別な較正は行わ
れていなかった。また、従来行われていた一般的な微細
位置決め装置における微動機構の較正には、レーザ等に
よる光学的な干渉作用を利用した測距装置を用いていた
。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＳＴＭの探針等のアクチュエータの如く圧電素子を利用
した微動機構では、従来ではその精度上特別に較正装置
を必要としなかったが、厳密には圧電素子はその特性と
して印加電圧と変位との関係において非直線性などが存
在し、その程度も圧電素子ごとに異なっているため、計
測に使用する場合には較正を行うことが望ましい。この
ような圧電素子を利用した微動機構の較正を行うに当っ
て、従来の測距装置による較正法では例えばレーザ変位
計の場合には０．０２μｍの精度が限界であり、これに
対して圧電装置による微動機構では０．１ｎｍ程度の精
度を要求されるので、従来の測距装置を用いて較正を行
うことは不可能であった。

本発明の目的は、超微細の位置決めを行うことができる
圧電素子による微動機構において、当該微動機構に使用
される圧電素子の非直線特性を較正できる圧電素子によ
る微動機構の較正装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る第１の圧電素子による微動機構の較正装置
は、圧電素子により位置変化を行う微動機構と、微動機
構の上に載置される較正用試料と、トンネル電流が流れ
るように較正用試料に接近して配置される探針と、トン
ネル電流が流れ続けるように探針の位置を変化させる探
針制御機構と、探針が出力するトンネル電流を検出する
トンネル電流検出手段と、トンネル電流を一定に保つた
め探針制御機構に位置制御信号を与える探針制御手段と
、微動機構に一定間隔の移動動作を行わせる微動機構制
御手段き、微動機構に指令した距離と微動機構が実際に
移動した距離とのずれを較正用試料の表面構造を基準に
して検出し、較正用データを作成し記憶すると共に、実
際の試料観測のときには較正データを微動機構制御手段
に与える較正データ計算・記憶手段とから構成される。

本発明に係る第２の圧電素子による微動機構の較正装置
は、載置台の上に載置される較正用試料と、トンネル電
流が流れるように較正用試料に接近して配置される探針
と、圧電素子を含む微動機構を有し、トンネル電流が流
れ続けるように微動機構で探針の位置を３次元方向に変
化させる探針制御機構と、探針が出力するトンネル電流
を検出するトンネル電流検出手段と、トンネル電流を一
定に保つため探針制御機構に位置制御信号を与える探針
制御手段と、微動機構に一定間隔の移動動作を行わせる
微動機構制御手段と、微動機構に指令した距離と微動機
構が実際に移動した距離とのずれを較正用試料の表面を
基準にして検出し、較正用データを作成し記憶すると共
に、実際の試料観測のときには較正データを微動機構制
御手段に与える較正データ計算・記憶手段とから構成さ
れる。

本発明に係る圧電素子による微動機構の較正装置では、
前記の第２の装置構成において、微動機構がそれぞれ３
次元の各方向に独立して探針を移動させることできる圧
電素子を有し、これらの各次元の圧電素子の少なくとも
いずれか１つについてその較正データを作成するように
構成することもできる。

また本発明に係る圧電素子による微動機構の較正装置は
、前記の各装置構成において、較正される対象が微動機
構に含まれる圧電素子の非直線性であることを特徴とす
る。

〔作用〕

前記の第１の圧電素子による微動機構の較正装置では、
微動機構の上に較正用試料を載置し、微動機構制御手段
から微動機構に位置データを与えて較正用試料を微動さ
せ、一方ＳＴＭの動作に基づき探針が較正用試料の表面
に対して相対的に移動してトンネル電流を出力し、この
トンネル電流はトンネル電流検出手段により検出され、
その値が一定になるように探針の高さ方向の位置に関し
探針制御手段を介して制御が行われる。探針制御手段か
らは較正データ計算・記憶手段に対して平面的位置情報
に対する探針の高さ方向の位置情報して取り込まれる。

較正データ計算・記録手段は、微動機構制御手段が微動
機構に与えた位置データと、較正用試料が実際に移動し
たデータとを較正用試料の既知の表面構造を基準に比較
判定し、微動機構の特性を較正するデータを作成し、そ
の後の実際のＳＴＭの測定に利用する。

前記の第２の圧電素子による微動機構の較正装置では、
載置台に較正用試料を載置し、この較正用試料に対し探
針を所定の位置関係で配置し、微動機構制御手段から探
針制御機構の微動機構に位置データを与えて探針を微動
させ、一方ＳＴＭの動作に基づき探針が較正用試料の表
面に対して移動してトンネル電流を出力し、このトンネ
ル電流はトンネル電流検出手段により検出され、その値
が一定になるように探針の高さ方向の位置に関し探針制
御手段を介して制御が行われる。探針制御手段からは較
正データ計算・記憶手段に対して平面的位置情報に対す
る探針の高さ方向の位置情報して取り込まれる。較正デ
ータ計算・記録手段は、微動機構制御手段が微動機構に
与えた位置データと、探針が実際に移動したデータとを
較正用試料の既知の表面構造を基準に比較判定し、微動
機構の特性を較正するデータを作成し、その後の実際の
ＳＴＭの測定に利用する。

前記の各較正装置では、特に微動機構の非直線性を較正
する。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明の圧電素子による微動機構の較正装置を
示すブロック図であり、この較正装置はＳＴＭの観測試
料の位置を変化させる微動機構に適用した例を示してい
る。

第１図において、ｌは較正の対象となる微動機構であり
、この微動機構１はアクチュエータとして圧電素子が使
用されている。微動機構１の上面には通常は観測用の試
料が載置される。第１図中に載置されている試料２は、
微動機構１の動作特性を較正するために使用される較正
用試料である。

そのため較正用試料２にはカーホングラファイトやシリ
コンなど結晶格子定数が既知で且つ表面が高度に平滑な
試料が使用される。微動機構１は除振機構台３の上に固
設されており、この載置構造により振動によって与えら
れる試料への外乱を除去している。微動機構１における
微動のための動作は、微動機構制御回路４から与えられ
る制御信号により行われる。また微動機構１では第１図
中において水平面（ｘｙ平面と定義する）内での試料微
動が行われる。

微動機構１の上面に載置された試料の上方位置には探針
５が配設される。この探針５は、その先端が試料の表面
にナノメートルのオーダの距離で接近するように配置さ
れており、そのような近接状態に配置される結果、所要
の低電圧を印加すると探針５の先端と試料の表面との間
にはトンネル電流が流れる。このトンネル電流はトンネ
ル現象の原理に基づいて流れる少流量の電流である。探
針５を流れるトンネル電流はトンネル電流検出回路６に
よって検出される。探針５は探針制御機構７に取付けら
れ、更に探針制御機構７は、除振機構台３に固設された
支持台８に取付けられる。探針制御機構７は探針５の位
置を変化させるアクチュエータとして圧電素子を含んで
おり、この圧電素子によって探針５を第１図中上下方向
、すなわち２方向にのみその位置を変化させる。探針５
と試料の表面の距離は、ｌｎｍ以内の距離に設定され、
試料表面の凹凸に対し前記距離を常に一定に維持するた
めに探針制御機構７は探針制御回路９からの制御信号に
基づき制御を行う。

前記のトンネル電流検出回路６は、探針５に数ボルトの
バイアス電圧を印加し、これにより前述した如く探針５
からトンネル電流を検出する。また探針制御回路９は、
トンネル電流の量が探針５の先端と試料の表面の距離に
依存して決まることから、トンネル電流が常に一定とな
るように探針５の位置を探針制御機構７を介して制御す
るものである。探針制御回路９はトンネル電流検出回路
６の検出信号に基づき位置制御信号を発生し、この信号
を探針制御機構７に与える。

なお前記支持台８は、探針７と試料との距離が、自身の
たわみによって変化しないようにするだけの十分な剛性
を有しているものとする。

１０は較正データ計算・記憶装置であり、−数的にコン
ピュータ又は専用回路により作製されるものである。較
正データ計算・記憶装置１０は、微動機構制御回路４か
らの微動機構１の移動データと探針制御回路９とからの
探針位置データを入力し、これらのデータを用いて計算
を行い、較正データを算出し、算出した較正データを記
憶する機能を有している。

上記の構成の大部分はＳＴＭで知られる構成であるが、
観測試料として較正用試料２を用いている点、較正デー
タ計算・記録装置１０を備えている点に特徴を有してい
る。次に上記構成を有する較正装置による較正方法につ
いて説明する。

前述したように微動機構１ではｎｍ（ナノメートル）の
領域の位置精度を得るために・アクチュエータとして圧
電素子を使用している。この圧電素子は、試料をｘｙ平
面内においてＸ方向あるいはＸ方向に移動させるため、
それぞれの方向に関して圧電素子が用意される。そこで
、ここでは例えばＸ方向の圧電素子についてその動作特
性の較正を行う例について説明する。圧電素子は、印加
電圧とその印加電圧による長さ変位との間において、そ
の圧電素子固有の非直線性を有している。微動機構１の
Ｘ方向圧電素子の固有の非直線性がＸ方向に関する試料
の位置決め精・度を低減させる。そのために、圧電素子
の非直線性を較正する必要がある。

そこで、微動機構１の上面に既知の結晶格子定数を有す
る標準サンプルである較正用試料２を載置する。従って
較正゛用試料２の表面構造は既知である。そして、かか
る較正用試料２に対し、ＳＴＭの通常の測定機能を利用
して較正用試料２の表面の原子レベルの凹凸を測定し、
この測定データと既知の結晶格子定数値を目盛りとして
用いて較正データを算出する。すなわち、微動機構制御
回路４から微動機構１のＸ方向圧電素子に対し位置指令
データを電圧■の形式（Ｖｔ〜■５）で与え、較正用試
料２をＸ方向に移動させる。微動機構制御回路４及び微
動機構１によって較正用試料２をＸ方向に移動させてい
る間に、較正用試料２に対し所要の距離で配置した探針
５によりトンネル電流を検出し、この検出されたトンネ
ル電流を利用して較正用試料２の表面の凹凸を測定し、
凹凸データを得る。微動機構制御回路４が微動機構１の
Ｘ方向圧電素子に与える位置指令データと、探針５が計
測し、探針制御回路９から取り出される較正用試料２の
表面の凹凸に関するデータとを較正データ計算・記録装
置１０に取込む。較正データ計算・記録装置１０におい
て、上記の位置指令データと凹凸に関するデータとを用
いて較正データが計算される。較正データの計算の仕方
としては次の通りである。本来較正用試料２をＳＴＭで
測定すると、ＳＴＭで得られる画像において、Ｘ方向に
ついて等間隔で規則正しい凹凸が観察されなければなら
ない。しかし、Ｘ方向圧電素子に非直線性が存在すると
、Ｘ方向について観察した画像に歪みが生じ、非直線性
に起因して規則正しい凹凸の距離が等間隔となって現れ
ない。この状態を第２図（ａ）に示す。第２図（ａ）で
明らかなように、等間隔の電圧（横軸）に対し距離１　
（縦軸）は次第に大きくなり、非直線性が現れている。

このように、前記画像の歪みからＸ方向の圧電素子の非
直線性特性が判明する。そこで、非直線の歪み特性を打
ち消すように微動機構１を移動させるための位置データ
を変更する。変更した状態の特性図を第２図（ｂ）に示
す。この変更特性によれば、距離ｌにおいて等間隔の特
性１７　となるように位置データを表す電圧Ｖ　％　を
、大きくなるに従い収縮させている。これによって、電
圧Ｖ′を位置データとして微動機構制御回路４から微動
機構１のＸ方向圧電素子に与えて制御を行えば、見掛上
直線性が保たれることになる。

以上の説明では微動機構１のＸ方向の移動に関与する圧
電素子の非直線性の較正の説明であったが、Ｘ方向の移
動に関与する圧電素子についても前記と同様にその非直
線性を較正することができる。

上記較正が終了した後、試料を第１図中水平面（ｘｙ平
面）に移動させる微動機構１に設けられたｘ、ｙの各方
向の圧電素子について較正データが較正データ計算・記
録装置１０に記憶される。

そして微動機構１の上面に観測対象の試料を載置して当
該試料をＳＴＭで測定する場合において、ｘｙ平面内で
試料を微動するときには、較正データ計算・記録装置１
０に記憶された較正データを用いて微動制御を行う。

前記実施例のＳＴＭでは、ｘｙ平面内の微動については
微動機構１によって試料を微動し、ｘｙ平面に垂直な２
方向の微動については探針制御機構７により探針５を微
動させるように構成されていた。一方、ＳＴＭにおける
圧電素子を用いた微動機構としては、例えばトライボッ
ド微動素子のように１つの微動素子に３次元の各方向の
微動に関与する３個の圧電素子を備え、これらの各圧電
素子により探針をｘ、ｙ、ｚの各方向について移動させ
る微動機構が存在する。この探針用微動機構は探針制御
機構の中に含まれる。このような構成を有する微動機構
の場合にも前記実施例の場合と同様に標準サンプルであ
る較正用試料２を用いて微動機構のｘ、　　Ｘ方向に関
与する圧電素子の非直線性を較正することができる。た
だし、この場合には前記微動機構１は存在しないので、
較正用試料２は固定状態で取付けられており、この較正
用試料２の表面に対して探針が３次元微動素子によりＸ
又はｙの方向に微動されながら、且つ２方向について探
針先端と試料表面との間が微細な一定距離に維持される
。これによって又又はｙの方向の圧電素子については、
その非直線性を較正することができる。

また３次元方向の各圧電素子を備えた微動素子の取付は
状態を変更し且つ単一の探針の取付は位置を変更するこ
とにより、微動素子におけるＺ方向の微動に関与する圧
電素子の較正も行うことかできる。更に第３図は予めｘ
ｙ較正用探針１１とｙｚ較正用探針１２の２つの探針を
備えた微動素子を示し、第３図に示されるように取り付
は状態を（Ａ）の状態から（Ｂ）の状態に変更すること
によりＸ及びｙの方向の較正と２方向の較正を行うこと
が可能となる。なお第３図において、１３はＸ方向用圧
電素子、１４はＸ方向用圧電素子、１５は２方向用圧電
素子である。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように本発明によれば、ＳＴＭに
おいて表面構造が既知の較正用試料を用いてその表面の
原子レベルの情報を取り出し、この情報に基づいて圧電
素子による微動機構の非直線性を較正するようにしたた
め、ＳＴＭにおける実際の測定においては高い精度で測
定を行うことができ、測定精度を向上させることができ
る。また上記の圧電素子の較正のための作動を通して、
微動機構の実際の移動距離を定量的に把握することがで
きるという利点もある。更にＳＴＭにおけて測定後のソ
フト的な処理ではなく測定時の補正として測定画像の歪
みをなくすことができ、簡単に画像歪みを修正すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る較正装置の構成を示すブロック図
、第２図は較正を仕方を示す説明図、第３図は２つの探
針を備えた圧電素子及びその使用態様を示す斜視図であ
る。 〔符号の説明〕 １・・・・・・微動機構 ２・・・・・・較正用試料 ４・・・・・・微動機構制御回路 ５・・・・・・探針 ６・・・・・・トンネル電流検出回路 ７・・・・・・探針制御機構 ９・・・・・・探針制御回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子により位置変化を行う微動機構と、前記
   微動機構の上に載置される較正用試料と、トンネル電流
   が流れるように較正用試料に接近して配置される探針と
   、前記トンネル電流が流れ続けるように前記探針の位置
   を変化させる探針制御機構と、前記探針が出力するトン
   ネル電流を検出するトンネル電流検出手段と、前記トン
   ネル電流を一定に保つため前記探針制御機構に位置制御
   信号を与える探針制御手段と、前記微動機構に一定間隔
   の移動動作を行わせる微動機構制御手段と、前記微動機
   構に指令した距離と微動機構が実際に移動した距離との
   ずれを前記較正用試料の表面構造を基準にして検出し、
   較正用データを作成し記憶すると共に、実際の試料観測
   のときには前記較正データを前記微動機構制御手段に与
   える較正データ計算・記憶手段とからなることを特徴と
   する圧電素子による微動機構の較正装置。
2. （２）載置台の上に載置される較正用試料と、トンネル
   電流が流れるように前記較正用試料に接近して配置され
   る探針と、圧電素子を含む微動機構を有し、前記トンネ
   ル電流が流れ続けるように前記微動機構で前記探針の位
   置を３次元方向に変化させる探針制御機構と、前記探針
   が出力するトンネル電流を検出するトンネル電流検出手
   段と、前記トンネル電流を一定に保つため前記探針制御
   機構に位置制御信号を与える探針制御手段と、前記微動
   機構に一定間隔の移動動作を行わせる微動機構制御手段
   と、前記微動機構に指令した距離と微動機構が実際に移
   動した距離とのずれを前記較正用試料の表面を基準にし
   て検出し、較正用データを作成し記憶すると共に、実際
   の試料観測のときには前記較正データを前記微動機構制
   御手段に与える較正データ計算・記憶手段とからなるこ
   とを特徴とする圧電素子による微動機構の較正装置。
3. （３）請求項２記載の圧電素子による微動機構の較正装
   置において、前記微動機構はそれぞれ３次元の各方向に
   独立して前記探針を移動させることができる圧電素子を
   有し、これらの各次元の圧電素子の少なくともいずれか
   １つについてその較正データを作成するようにしたこと
   を特徴とする圧電素子による微動機構の較正装置。
4. （４）請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電素子に
   よる微動機構の較正装置において、較正される対象が微
   動機構に含まれる圧電素子の非直線性であることを特徴
   とする圧電素子による微動機構の較正装置。